BR102012024423A2 - PERMANENT MAGNET ROTATOR FOR A TURNTABLE ELECTRIC MACHINE - Google Patents
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Abstract
ROTOR DE ÍMÃ PERMANENTE PARA UMA MÁQUINA ELÉTRICA GIRATÓRIA. Um rotor de ímã permanente (3) para uma máquina elétrica giratória (1) compreende um corpo de rotor (10) tendo um eixo geométrico de rotação (A) e uma pluralidade de ímãs radiais (4), em que os ímãs (4) apresentam um porção de cabeça (5) localizada em proximidade a uma superfície externa (30) do corpo de rotor (10) e uma porção de base (6) voltada em direção ao eixo geométrico de rotação (A). A porção de base (6) de cada ímã (4) tem uma largura menor do que uma largura da porção de cabeça (5).PERMANENT MAGNET ROTATOR FOR A TURNTABLE ELECTRIC MACHINE. A permanent magnet rotor (3) for a rotary electric machine (1) comprises a rotor body (10) having a rotational geometry axis (A) and a plurality of radial magnets (4), wherein the magnets (4) show a head portion (5) located proximate to an outer surface (30) of the rotor body (10) and a base portion (6) facing toward the rotational geometry axis (A). The base portion (6) of each magnet (4) has a width less than one width of the head portion (5).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “ROTOR DE ÍMÃ PERMANENTE PARA UMA MÁQUINA ELÉTRICA GIRATÓRIA” Descrição A presente invenção refere-se a um rotor de ímã permanente para uma máquina elétrica giratória. Em particular, o rotor tem uma densidade de fluxo elevada e ímãs permanentes dispostos radialmente. A presente invenção tem aplicação, em particular, na construção de máquinas elétricas síncronas.DETAILED DESCRIPTION REPORT FOR "PERMANENT MAGNET ROTATOR FOR A TURNTABLE ELECTRIC MACHINE" Description The present invention relates to a permanent magnet rotor for a rotary electric machine. In particular, the rotor has a high flux density and radially disposed permanent magnets. The present invention has particular application in the construction of synchronous electric machines.
Em máquinas síncronas, o rotor apresenta uma pluralidade de ímãs permanentes cujo campo magnético interage com os enrolamentos do circuito de força do estator. A interação magnética entre o estator e rotor produz a força mecânica. O número de ímãs permanentes montados no rotor determina o número de pólos magnéticos do próprio rotor. Várias modalidades de rotores para motores síncronos são conhecidas. Entre as mesmas, dois tipos específicos de rotores para motores síncronos são considerados. O primeiro tipo é chamado “ímã superficial” ao passo que o segundo é chamado “ímã radial.” A principal diferença entre os dois tipos consiste no arranjo dos ímãs dentro do rotor.In synchronous machines, the rotor has a plurality of permanent magnets whose magnetic field interacts with the stator power circuit windings. The magnetic interaction between stator and rotor produces mechanical force. The number of permanent magnets mounted on the rotor determines the number of magnetic poles of the rotor itself. Several types of rotors for synchronous motors are known. Among them, two specific types of synchronous motor rotors are considered. The first type is called the “surface magnet” while the second type is called the “radial magnet.” The main difference between the two types is the arrangement of the magnets inside the rotor.
Considerando um rotor tendo uma forma substancialmente cilíndrica, em rotores de “ímã superficial” os ímãs são dispostos ao longo da superfície cilíndrica do próprio rotor. Conclui-se que as expansões polares do tipo são dispostas, precisamente, ao longo da superfície lateral do rotor.Considering a rotor having a substantially cylindrical shape, in "surface magnet" rotors the magnets are arranged along the cylindrical surface of the rotor itself. It is concluded that polar expansions of the type are arranged precisely along the lateral surface of the rotor.
Rotores do tipo “ímã radial”, ao contrário, têm os ímãs dispostos ao longo das direções radiais. Em outras palavras, a direção prevalente de extensão do ímã individual é dirigida radialmente a partir do eixo geométrico de rotação do rotor. A primeira solução construtiva (“ímã superficial”) é tipicamente realizada utilizando ímãs permanentes feitos com ligas compreendendo elementos de terras raras (por exemplo, NdFeB), que apresentam uma indução magnética elevada (por exemplo, 1.2 T).Radial magnet rotors, by contrast, have magnets arranged along radial directions. In other words, the prevalent direction of individual magnet extension is directed radially from the rotor geometry axis. The first constructive solution ("surface magnet") is typically realized using permanent magnets made of alloys comprising rare earth elements (eg NdFeB) which have a high magnetic induction (eg 1.2 T).
Na realidade, enquanto obtém densidades de torque elevado, o tipo de “ímã superficial” permite que maior compacidade de motor seja obtida com a condição de que ímãs de desempenho elevado, como precisamente, aqueles com elementos de terras raras, sejam utilizados. Um rotor feito com ímãs de terras raras dispostos na superfície é do tipo preferido para obter um motor com uma densidade de torque elevada e apresentando compacidade dimensional elevada.In fact, while obtaining high torque densities, the "surface magnet" type allows for greater motor compactness to be obtained on the condition that high performance magnets, such as those with rare earth elements, are used. A rotor made of surface-mounted rare earth magnets is the preferred type for a motor with high torque density and high dimensional compactness.
Entretanto, o custo de elementos de terras raras aumentou consideravelmente recentemente. Isso significa um aumento substancial no custo de produção (tanto quanto 1/4), o motor síncrono realizado sendo igual.However, the cost of rare earth elements has increased considerably recently. This means a substantial increase in production cost (as much as 1/4), the synchronous motor realized being equal.
Portanto, visando realizar um motor síncrono que seja compacto, tenha elevado desempenho (isto é, com uma densidade de torque elevada) e econômica e produtivamente sustentável ao mesmo tempo, a realização de um motor síncrono tendo um rotor de “ímã radial” com ímãs feitos com materiais cujo desempenho seja inferior àquele de elementos de terras raras (por exemplo, ímãs de ferrita) foi considerada.Therefore, in order to make a synchronous motor that is compact, has high performance (ie with a high torque density) and economically and productively sustainable at the same time, realizing a synchronous motor having a “radial magnet” rotor with magnets Made with materials whose performance is inferior to that of rare earth elements (eg ferrite magnets) was considered.
Comparando os dois tipos de ímãs, pode-se destacar o fato de que, como observado, ímãs de terras raras apresentam uma indução magnética de aproximadamente 1.2 T, ao passo que ímãs de ferrita apresentam uma indução magnética de aproximadamente 0.4 T. O desafio atendido pela presente invenção consiste na realização de um motor de “ímã de ferrita radial” síncrono que é compacto e de alto desempenho como o motor de “ímã superficial” equivalente, porém economicamente vantajoso de se produzir.Comparing the two types of magnets, it can be highlighted that, as noted, rare earth magnets have a magnetic induction of approximately 1.2 T, whereas ferrite magnets have a magnetic induction of approximately 0.4 T. By the present invention it is a synchronous "radial ferrite magnet" motor which is compact and high performance as the equivalent but economically advantageous "surface magnet" motor to produce.
Como observado, há um fator de “três” entre os valores de indução magnética de ímãs de terras raras e aqueles de ferrita. Se uma pessoa desejar manter dimensões compactas do motor, o outro parâmetro que pode ser influenciado para aumentar o desempenho do rotor é a superfície utilizável para o desenvolvimento de linhas de fluxo. Portanto, a superfície utilizável de um rotor de “ímã radial” (Smr) deve ser pelo menos três vezes a superfície utilizável de um rotor de “ímã superficial” (Sms): Smr = 3.Sms A superfície utilizável de um rotor de “ímã superficial” é Sms = 2 . ? . R, L, onde R é o raio do rotor e L o comprimento da superfície cilíndrica do rotor. A superfície utilizável de um rotor de “ímã radial” em vez disso segue a fórmula: Smr = Np. (R - Ra).L, com Np representando o número de expansões polares (pólos), R o raio do rotor (conseqüentemente o raio externo dos ímãs) e Ra o raio interno dos ímãs.As noted, there is a factor of “three” between the magnetic induction values of rare earth magnets and those of ferrite. If one wishes to maintain compact motor dimensions, the other parameter that can be influenced to increase rotor performance is the usable surface for flow line development. Therefore the usable surface of a “radial magnet” rotor (Smr) must be at least three times the usable surface of a “surface magnet” rotor (Sms): Smr = 3.Sms The usable surface of a “radial magnet” rotor surface magnet ”is Sms = 2. ? . R, L where R is the rotor radius and L is the length of the rotor cylindrical surface. The usable surface of a “radial magnet” rotor instead follows the formula: Smr = Np. (R - Ra) .L, with Np representing the number of polar expansions (poles), R the rotor radius (hence the outer radius of the magnets) and Ra the inner radius of the magnets.
Essa diferença nas fórmulas se baseia no fato de que em rotores de “ímã superficial”, as superfícies utilizáveis para o fornecimento de fluxo magnético utilizável são dispostas ao longo de duas circunferências concêntricas.This difference in formulas is based on the fact that in "surface magnet" rotors, the surfaces usable for providing usable magnetic flux are arranged along two concentric circumferences.
Em rotores de “ímã radial”, as superfícies utilizáveis para o fornecimento de fluxo magnético utilizável são as superfícies laterais, isto é, aquelas dispostas em uma direção substancialmente radial. Conclui-se que no cálculo da superfície máxima utilizável para a configuração de “ímã radial”, essas superfícies laterais (isto é, o termo (R-Ra)) e o número do mesmo (isto é, o número de pólos, Np) são incluídos.In "radial magnet" rotors, the surfaces usable for providing usable magnetic flux are the side surfaces, i.e. those arranged in a substantially radial direction. It is concluded that in calculating the maximum usable surface for the “radial magnet” configuration, these lateral surfaces (ie the term (R-Ra)) and the number thereof (ie the number of poles, Np) are included.
Após a limitação de compacidade, o comprimento do rotor L é um parâmetro que é desejado manter fixo para os dois tipos de construção. Portanto, para compensar o fator de indução magnética de “três”, pode-se atuar somente no número de pólos (Np da fórmula) realizável no rotor de “ímã radial”.After limitation of compactness, the rotor length L is a parameter that is desired to be kept fixed for both types of construction. Therefore, to compensate for the magnetic induction factor of “three”, one can only act on the number of poles (Np of the formula) achievable in the “radial magnet” rotor.
Se as fórmulas mencionadas forem combinadas, assumindo a extrema situação de um raio interno (Ra) igual a zero, o número mínimo de pólos (Np) para obter a mesma densidade de torque nos dois tipos é igual a 20. Sendo impossível realizar um rotor com Ra igual a zero, isso significa que Np deve ser certamente maior do que 20.If the above mentioned formulas are combined, assuming the extreme situation of an internal radius (Ra) equal to zero, the minimum number of poles (Np) to obtain the same torque density in both types is 20. It is impossible to make a rotor. with Ra equal to zero, this means that Np must certainly be greater than 20.
Nesse ponto os limites tecnológicos para a realização de um rotor que é simultaneamente compacto e tenha um número elevado de pólos entram em jogo. Na realidade, nessa configuração não é fácil reconciliar o número elevado de pólos, a resistência mecânica estrutural do rotor, uma permeância magnética elevada para o fluxo concatenado com o estator e uma permeância magnética baixa ao fluxo não utilizável, isto é, aquela que salta de volta sobre o próprio rotor.At this point the technological limits to making a rotor that is both compact and have a high number of poles come into play. In reality, in this configuration it is not easy to reconcile the high number of poles, the structural mechanical resistance of the rotor, a high magnetic permeability for the stator-concatenated flux and a low magnetic permeability to the unusable flux, that is, one that jumps from turns on the rotor itself.
Nesse contexto, a tarefa técnica na base da presente invenção é propor uma solução para as desvantagens acima mencionadas da técnica anterior.In this context, the technical task on the basis of the present invention is to propose a solution to the aforementioned disadvantages of the prior art.
Um objetivo da presente invenção é propor um rotor de imã permanente do tipo de “ímã radial” com uma indução residual baixa, que apresenta o mesmo desempenho que um rotor de ímã permanente do “tipo de ímã superficial” com uma indução residual elevada, as dimensões gerais sendo iguais.An object of the present invention is to propose a low residual induction “radial magnet” type permanent magnet rotor, which has the same performance as a “high residual induction” type “surface magnet type” permanent magnet rotor. overall dimensions being equal.
Um objetivo adicional da presente invenção é propor um rotor de ímã permanente do tipo “ímã radial” com um número elevado de pólos e, ao mesmo tempo, uma resistência mecânica estrutural elevada.A further object of the present invention is to propose a "radial magnet" type permanent magnet rotor with a high number of poles and at the same time a high structural mechanical strength.
Um objetivo adicional da presente invenção é propor um rotor de ímã permanente do tipo “ímã radial” que apresente desempenho elevado, e em particular sirva para maximizar a permeância magnética ao fluxo concatenado com o estator e minimizar a permeância magnética ao fluxo não utilizável, isto é, aquele que salta de volta sobre o próprio rotor. A tarefa técnica mencionada e objetivos especificados são substancialmente obtidos por um rotor de ímã permanente compreendendo os aspectos técnicos expostos em uma ou mais das reivindicações apensas.A further object of the present invention is to propose a high-performance “radial magnet” permanent magnet rotor, and in particular serve to maximize magnetic permeability to the stator-concatenated flux and minimize unused magnetic flux permeability, i.e. is the one that jumps back on the rotor itself. The foregoing technical task and specified objectives are substantially achieved by a permanent magnet rotor comprising the technical aspects set forth in one or more of the appended claims.
Aspectos e vantagens adicionais da presente invenção serão mais evidentes a partir da descrição aproximada e consequentemente não restritivas de uma modalidade preferida, porém não exclusiva de um rotor de ímã permanente, como ilustrado nos desenhos apensos, nos quais: A figura 1 representa uma vista em perspectiva de uma máquina elétrica giratória compreendendo um rotor de ímã permanente de acordo com a presente invenção; A figura 2 representa uma vista em perspectiva do rotor de ímã permanente de acordo com a presente invenção; A figura 3 representa um primeiro detalhe ampliado do rotor de ímã permanente da figura 2; A figura 4 representa um segundo detalhe ampliado do rotor de ímã permanente da figura 2; A figura 5 representa um segundo detalhe ampliado do rotor de ímã permanente em uma segunda modalidade; A figura 6 representa uma modalidade alternativa dos imãs permanentes presentes no rotor de acordo com a presente invenção.Further aspects and advantages of the present invention will be more apparent from the approximate and therefore non-restrictive description of a preferred but not exclusive embodiment of a permanent magnet rotor, as illustrated in the accompanying drawings, in which: Figure 1 is a view in perspective of a rotary electric machine comprising a permanent magnet rotor according to the present invention; Figure 2 is a perspective view of the permanent magnet rotor according to the present invention; Figure 3 is a first enlarged detail of the permanent magnet rotor of Figure 2; Fig. 4 is a second enlarged detail of the permanent magnet rotor of Fig. 2; Figure 5 is a second enlarged detail of the permanent magnet rotor in a second embodiment; Figure 6 is an alternative embodiment of the permanent magnets present on the rotor according to the present invention.
Com referência às figuras apensas, 1 indica uma máquina elétrica giratória compreendendo um rotor de ímã permanente 3 de acordo com a presente invenção e um estator 2. O motor 1 compreende ainda um bloco terminal 50 para conectar-se à fonte de eletricidade de rede, em particular para acionar os circuitos de estator. O rotor 3 compreende um eixo de acionamento 25 associável ao estator por meio de pelo menos dois mancais de um tipo conhecido. O rotor 3 compreende um corpo de rotor 10 e uma pluralidade de ímãs permanentes 4. O corpo de rotor 10 tem um eixo geométrico de rotação “A” substancialmente coincidindo com o eixo geométrico no sentido do comprimento do eixo de acionamento 25. O corpo de rotor 10, ilustrado na figura 2, tem uma espessura intencionalmente reduzida (ao longo do eixo geométrico “A”) por motivos ilustrativos. Essa espessura poderia, na realidade, ser também muito maior. O corpo de rotor 10 é definido por uma pluralidade de placas pequenas 20 acondicionadas juntas ao longo do eixo geométrico de rotação “A”, essas placas pequenas 20 têm individualmente uma espessura compreendida entre 0,3 mm e 5 mm porque de tal modo são muito mais simples de usinar em ferramentas de máquina em comparação com um bloco fundido. As placas pequenas 20 são feitas de material ferromagnético. O corpo de rotor 10 apresenta uma pluralidade de expansões radiais 11 e uma pluralidade de assentos de alojamento 12, intercalados com as expansões radiais 11 para alojar os ímãs 5. As expansões radiais 11 e consequentemente, os assentos de alojamento 12 são igualmente angularmente espaçados em torno do eixo geométrico de rotação “A”.With reference to the accompanying figures, 1 indicates a rotary electric machine comprising a permanent magnet rotor 3 according to the present invention and a stator 2. Motor 1 further comprises a terminal block 50 for connecting to the mains electricity source, in particular to drive the stator circuits. The rotor 3 comprises a drive shaft 25 associable with the stator by means of at least two bearings of a known type. Rotor 3 comprises a rotor body 10 and a plurality of permanent magnets 4. Rotor body 10 has a rotational geometry axis "A" substantially coinciding with the geometry axis in the lengthwise direction of the drive axis 25. The rotor 10, shown in Figure 2, has an intentionally reduced thickness (along the geometric axis "A") for illustrative purposes. This thickness could actually be much larger too. The rotor body 10 is defined by a plurality of small plates 20 arranged together along the geometric axis of rotation "A", these small plates 20 are individually between 0.3 mm and 5 mm in thickness because they are so large. simpler to machine machine tools compared to a cast block. The small plates 20 are made of ferromagnetic material. The rotor body 10 has a plurality of radial expansions 11 and a plurality of housing seats 12 interspersed with the radial expansions 11 to house the magnets 5. The radial expansions 11 and consequently the housing seats 12 are equally angularly spaced apart. around the geometric axis of rotation “A”.
As expansões radiais 11 são moldadas sobre as placas pequenas acima mencionadas 20. O corpo de rotor 10 compreende ainda um anel de suporte 18 que, internamente, pode ser conectado estavelmente ao eixo de acionamento 25, por exemplo, por meio de uma chave 26, enquanto na superfície externa do mesmo sustenta mecanicamente as expansões radiais 11, desse modo transmitindo solidez mecânica ao corpo de rotor 10.Radial expansions 11 are molded onto the aforementioned small plates 20. Rotor body 10 further comprises a support ring 18 which, internally, can be stably connected to the drive shaft 25, for example by means of a key 26, while on its outer surface it mechanically sustains radial expansions 11, thereby imparting mechanical strength to the rotor body 10.
Cada par de expansões radiais contíguas 11 apresenta porções periféricas respectivas 14 distanciadas entre si para definir aberturas de separação respectivas 13 apropriadas para evitar a passagem direta de fluxo magnético entre as porções periféricas 14. Preferivelmente, a abertura de separação 14 estende ao longo do comprimento total (na direção axial) do corpo de rotor 10. A abertura de separação 13 tem o efeito específico de criar uma “barreira” para o fluxo magnético gerado pelos ímãs 4 que, sem a abertura de separação 13, seria saltado entre duas expansões radiais sucessivas 11 e não seria concatenada com o fluxo magnético gerado pelo estator 2. Na realidade, a abertura de separação 13, sendo um entreferro virtual, bloqueia as linhas de fluxo magnético que de outro modo deslocariam de uma expansão radial 11 para a contígua, isto é, sem ser concatenada com o fluxo magnético do estator 2, conseqüentemente limitando o torque máximo gerado pela máquina 1.Each pair of contiguous radial expansions 11 have respective peripheral portions 14 spaced apart to define respective separation apertures 13 appropriate to prevent direct magnetic flux passage between peripheral portions 14. Preferably, the separation aperture 14 extends over the entire length. (in axial direction) of rotor body 10. Separation aperture 13 has the specific effect of creating a "barrier" to the magnetic flux generated by magnets 4 which, without separation aperture 13, would be bounced between two successive radial expansions. 11 and would not be concatenated with the magnetic flux generated by stator 2. In fact, the separation aperture 13, being a virtual air gap, blocks magnetic flux lines that would otherwise shift from radial expansion 11 to contiguous, i.e. , without being concatenated with the magnetic flux of stator 2, thus limiting the maximum torque generated by the Machine 1
Como pode ser visto na figura 3, as porções periféricas 14 de cada expansão radial 11 apresentam adicionalmente porções de encurvamento laterais 15 voltadas em direção às expansões radiais contíguas 11 (conseqüentemente em uma configuração de “T”) para reter os ímãs adjacentes 4 internamente dos assentos de alojamento respectivos 12.As can be seen in figure 3, the peripheral portions 14 of each radial expansion 11 additionally have lateral bending portions 15 facing the contiguous radial expansions 11 (consequently in a "T" configuration) to retain adjacent magnets 4 internally of the respective accommodation seats 12.
Como pode ser visto na figura 3, as porções de encurvamento laterais 15 estendem ao longo de uma direção que é substancialmente tangencial à superfície externa 30 do corpo de rotor 10 e engatam os ímãs adjacentes respectivos 4. Em particular, são as porções de encurvamento laterais 15 das expansões radiais 11 que delimitam e definem as dimensões das aberturas de separação 13. As porções de encurvamento laterais 15 têm a função adicional de limitar o “torque de dente”. “Torque de dente” é um torque gerado pela interação dos ímãs permanentes e dentes de estator, altamente indesejável porque impede a rotação regular do rotor, resultando na geração de vibrações e ruído no motor. As porções de encurvamento laterais 15 permitem que a variação na relutância à rotação seja reduzida, desse modo limitando o “torque de dente”.As can be seen from figure 3, the side bending portions 15 extend along a direction that is substantially tangential to the outer surface 30 of the rotor body 10 and engage the respective adjacent magnets 4. In particular, they are the side bending portions 15 of the radial expansions 11 delimiting and defining the dimensions of the separation openings 13. The lateral bending portions 15 have the additional function of limiting the "tooth torque". “Tooth torque” is a torque generated by the interaction of permanent magnets and stator teeth, highly undesirable because it prevents regular rotor rotation, resulting in vibration and noise in the motor. The lateral bending portions 15 allow the variation in rotation reluctance to be reduced, thereby limiting the "tooth torque".
Observando o detalhe da figura 4, pode ser visto que cada expansão radial 11 do corpo de rotor 10 apresenta, na base, uma porção de saturação 16. Cada porção de saturação 16 é estruturalmente disposta entre o anel de suporte 18 e a porção periférica 14 de cada expansão radial 11. O termo “saturação” significa alcançar o fluxo magnético máximo na seção utilizável de cada porção de saturação 16, que desse modo está em uma condição de não ser capaz de aceitar qualquer fluxo magnético adicional.Looking at the detail of Fig. 4, it can be seen that each radial expansion 11 of the rotor body 10 has at its base a saturation portion 16. Each saturation portion 16 is structurally disposed between the support ring 18 and the peripheral portion 14 of each radial expansion 11. The term "saturation" means to reach the maximum magnetic flux in the usable section of each saturation portion 16, which is thus in a condition of not being able to accept any additional magnetic flux.
Em particular, será feita referência a um “fluxo magnético utilizável” e um “fluxo magnético parasítico”. “Fluxo magnético utilizável” define o fluxo magnético gerado pelos ímãs permanentes do rotor que passa através do entreferro entre o rotor e estator e é concatenado com o fluxo magnético gerado pelo estator. Quanto maior o “fluxo magnético utilizável”, maior o torque que pode ser desenvolvido pela máquina elétrica. “Fluxo magnético parasítico” define o fluxo magnético gerado pelos ímãs permanentes do rotor que salta de volta sobre o próprio rotor e não é concatenado com o fluxo magnético de estator. Como o “fluxo magnético parasítico” não interage com o fluxo de estator, não gera força de motor; conseqüentemente, é chamado “parasítico”.In particular, reference will be made to a "usable magnetic flux" and a "parasitic magnetic flux". “Usable magnetic flux” defines the magnetic flux generated by the rotor permanent magnets that passes through the air gap between the rotor and stator and is concatenated with the magnetic flux generated by the stator. The higher the “usable magnetic flux”, the greater the torque that can be developed by the electric machine. “Parasitic magnetic flux” defines the magnetic flux generated by the permanent rotor magnets that bounces back over the rotor itself and is not concatenated with the stator magnetic flux. Since “parasitic magnetic flux” does not interact with stator flux, it does not generate motor power; consequently, it is called “parasitic”.
Em particular, as porções de saturação 16 são substancialmente passadas através (e saturadas), dada a posição interna das mesmas no rotor 3, pelas linhas de “fluxo parasítico” que saltam de volta sobre o anel de suporte 18 e desse modo não são concatenados com o estator 2. As dimensões e geometria das porções de saturação 16 influenciam o comportamento das linhas de “fluxo parasítico”.In particular, the saturation portions 16 are substantially passed through (and saturated), given their internal position on the rotor 3, by the "parasitic flow" lines that bounce back over the support ring 18 and thus are not concatenated. with stator 2. The dimensions and geometry of the saturation portions 16 influence the behavior of the “parasitic flow” lines.
Cada ímã 4 é ajustado em uma orientação substancialmente radial no respectivo assento de alojamento 12. Cada ímã 4 apresenta, em uma seção ao longo de um plano que é substancialmente perpendicular ao eixo geométrico de rotação “A”, uma porção de cabeça 5 localizada em proximidade a uma superfície externa 30 do corpo de rotor 10 e uma porção de base 6 voltada em direção ao eixo geométrico de rotação “A”, as porções periféricas 14 das expansões radiais 11 e as porções de cabeça 5 dos ímãs 4 definem conjuntamente o perfil da superfície externa 30 do corpo de rotor 10.Each magnet 4 is adjusted in a substantially radial orientation in the respective housing seat 12. Each magnet 4 has, in a section along a plane that is substantially perpendicular to the axis of rotation “A”, a head portion 5 located at In close proximity to an outer surface 30 of the rotor body 10 and a base portion 6 facing toward the rotational geometry axis "A", the peripheral portions 14 of the radial expansions 11 and the head portions 5 of the magnets 4 together define the profile. of the outer surface 30 of the rotor body 10.
Vantajosamente, a porção de base 6 de cada ímã 4 tem uma largura menor do que uma largura da porção de cabeça 5, considerando que as larguras acima mencionadas são vistas ao longo de uma direção que é quase tangencial à extensão radial do próprio ímã 4.Advantageously, the base portion 6 of each magnet 4 has a width less than a width of the head portion 5, whereas the aforementioned widths are viewed along a direction that is almost tangential to the radial extent of the magnet 4 itself.
Esse aspecto permite que a distância entre ímãs contíguos 4 seja reduzida, uma vez que permite uma aproximação recíproca elevada entre os ímãs 4, sem as porções de base 6 interferirem entre si e reduzindo excessivamente a seção utilizável das porções de saturação 16 das expansões radiais 11 do corpo de rotor 10. Isso permite, portanto, que um número maior de ímãs 4 seja inserido no rotor 3 sem sacrificar excessivamente a resistência mecânica necessária do corpo de rotor 10.This aspect allows the distance between contiguous magnets 4 to be reduced as it allows a high reciprocal approximation between the magnets 4 without the base portions 6 interfering with each other and excessively reducing the usable section of the saturation portions 16 of the radial expansions 11 This therefore allows a larger number of magnets 4 to be inserted into the rotor 3 without excessively sacrificing the required mechanical strength of the rotor body 10.
Portanto, a relação dimensional entre as larguras da porção de cabeça 5 e porção de base 6 permite que a extensão radial dos próprios ímãs 4 seja maximizada, totalmente para vantagem da superfície utilizável para gerar fluxo magnético.Therefore, the dimensional relationship between the widths of the head portion 5 and the base portion 6 allows the radial extent of the magnets 4 themselves to be maximized, to the full advantage of the surface usable for generating magnetic flux.
Em particular, com a configuração específica dos ímãs 4 como descrito acima, é possível atingir um número de ímãs 4 igual ou maior do que vinte. Em outras palavras, o número acima mencionado igual a ou maior do que vinte deve ser entendido em relação à distribuição angular dos ímãs 4 em torno do eixo geométrico de rotação “A”, portanto, tal número igual ou maior do que vinte implica que dois ímãs contíguos 4 são separados por um ângulo que é igual ou menor do que 360°/20, isto é, um ângulo de 18°. Com tal densidade de ímãs 4, o rotor 3 de acordo com a presente invenção tem sucesso em desenvolver uma densidade de torque elevada enquanto limita simultaneamente as dimensões gerais.In particular, with the specific configuration of magnets 4 as described above, it is possible to achieve a number of magnets 4 equal to or greater than twenty. In other words, the aforementioned number equal to or greater than twenty must be understood in relation to the angular distribution of the magnets 4 around the geometric axis of rotation "A", so such number equal to or greater than twenty implies that two contiguous magnets 4 are separated by an angle that is equal to or less than 360 ° / 20, that is, an angle of 18 °. With such a magnet density 4, the rotor 3 according to the present invention succeeds in developing a high torque density while simultaneously limiting the overall dimensions.
Nas modalidades das figuras 2-5, a porção de base 6 de cada ímã 4 tem uma conformação que afila em direção ao eixo geométrico de rotação “A”, como pode ser facilmente observado nos detalhes das figuras 4 e 5. O formato afilado de cada porção de base 6 permite que os ímãs individuais 4 sejam colocados próximos radialmente e serve para definir uma geometria precisa da porção de saturação 16 de cada expansão radial 11.In the embodiments of FIGS. 2-5, the base portion 6 of each magnet 4 has a tapering conformation towards the geometric axis of rotation "A", as can be easily seen from the details of FIGS. 4 and 5. The tapered shape of each base portion 6 allows individual magnets 4 to be placed radially close together and serves to define an accurate geometry of the saturation portion 16 of each radial expansion 11.
Em particular, na modalidade das figuras 4-5, cada porção de saturação 16 apresenta uma extensão, na direção radial, tendo uma seção constante.In particular, in the embodiment of FIGS. 4-5, each saturation portion 16 has an extension in the radial direction having a constant section.
Em outras palavras, observando o rotor 3 em uma vista frontal como na figura 4, cada porção de saturação 16 tem uma largura quase constante (tangencial à extensão radial do mesmo). Isso torna possível otimizar o estado de tensão mecânica atuando sobre a própria porção de saturação 16 e desse modo minimizar o risco de quebra súbita de uma expansão radial 11 quando o rotor 3 é colocado em operação.In other words, looking at rotor 3 in a front view as in figure 4, each saturation portion 16 has an almost constant width (tangential to the radial extent thereof). This makes it possible to optimize the state of mechanical stress by acting on the saturation portion 16 itself and thereby minimizing the risk of sudden breakage of radial expansion 11 when rotor 3 is put into operation.
Surpreendentemente, verificou-se que as porções de saturação 16 desse modo realizadas se tornam saturadas, precisamente, com “fluxo magnético parasítico”. Essa saturação de fluxo magnético cria uma “barreira magnética” que evita que outras linhas de fluxo geradas por cada ímã 4 saltem para trás em direção ao rotor e favorece o transbordamento de tais linhas de fluxo na direção do fluxo de estator, desse modo transformando as linhas de fluxo em “fluxo magnético utilizável”.Surprisingly, it has been found that the saturation portions 16 thus made become saturated precisely with "parasitic magnetic flux". This magnetic flux saturation creates a “magnetic barrier” that prevents other flux lines generated by each magnet 4 from bouncing back toward the rotor and favors the overflow of such flux lines in the stator flux direction, thereby transforming the stator fluxes. flux lines in “usable magnetic flux”.
De acordo com uma modalidade alternativa (que não obstante beneficia do efeito de saturação acima mencionado) não ilustrada nas figuras apensas, cada porção de saturação 16 tem uma seção transversal que não é constante porém em vez disso tem uma parte com uma seção reduzida na qual a espessura é suficientemente baixa para obter a saturação do fluxo magnético. Preferivelmente, essa parte com uma seção reduzida tem uma espessura mínima que é mais baixa do que onde R é o raio externo dos ímãs e Ra é o raio interno dos ímãs com referência ao eixo geométrico de rotação. Preferivelmente, a espessura mínima é compreendida entre Em uma segunda modalidade, que pode ser vista na figura 5, entre a porção de base 6 de cada ímã 4 e o anel de suporte 18 um entreferro básico 21 está presente. Em outras palavras, cada ímã 4 ocupa parcialmente o assento de alojamento respectivo 12 que, entre a porção de base 6 e o anel de suporte 18, apresenta um espaço vazio no material, isto é, um entreferro básico 21.According to an alternative embodiment (which nonetheless benefits from the saturation effect mentioned above) not illustrated in the accompanying figures, each saturation portion 16 has a cross section which is not constant but instead has a reduced section portion in which the thickness is low enough to obtain magnetic flux saturation. Preferably, this reduced section portion has a minimum thickness which is lower than where R is the outer radius of the magnets and Ra is the inner radius of the magnets with reference to the geometry axis of rotation. Preferably, the minimum thickness is comprised between In a second embodiment, which can be seen in figure 5, between the base portion 6 of each magnet 4 and the support ring 18 a basic air gap 21 is present. In other words, each magnet 4 partially occupies the respective housing seat 12 which, between the base portion 6 and the support ring 18, has an empty space in the material, i.e. a basic air gap 21.
Essa modalidade apresentando o entreferro básico 21 facilita a montagem dos ímãs 4 dentro do corpo de rotor 10 uma vez que na área desse entreferro básico 21 não há fricção durante inserção do ímã 4 e além disso permite que a realização do próprio ímã 4 seja simplificada, visto que não exige nenhuma precisão de dimensão específica na superfície do mesmo voltada para o entreferro básico 21.This embodiment having the basic air gap 21 facilitates the mounting of the magnets 4 within the rotor body 10 since in the area of this basic air gap 21 there is no friction during insertion of the magnet 4 and furthermore allows the realization of the magnet 4 itself to be simplified, since it does not require any specific dimension accuracy on its surface facing the basic air gap 21.
Preferivelmente, o entreferro básico 21 pode ser cheio de um material de enchimento não magnético para transmitir solidez estrutural adicional ao rotor 3 e minimizar os movimentos relativos entre as expansões radiais 11 do corpo de rotor 10 e os ímãs 4.Preferably, the basic air gap 21 may be filled with a non-magnetic filler material to impart additional structural strength to rotor 3 and to minimize relative movements between radial expansions 11 of rotor body 10 and magnets 4.
Em uma modalidade alternativa, ilustrada na figura 6, cada ímã 4 consiste em uma pluralidade de sub-ímãs 40 que são sobrepostos entre si em uma direção radial e tem, em sucessão, uma seção transversal que diminui em direção ao eixo geométrico “A”, de modo que na porção de base 6 da mesma o ímã 4 apresenta pelo menos uma redução de largura escalonada. Em outras palavras, nessa configuração o ímã 4 é um ímã montado. Em particular, seção transversal se refere à largura de cada sub-ímã 40 ao longo de uma direção perpendicular à direção de extensão radial na qual a série de sub-ímãs 4 se situa.In an alternate embodiment, illustrated in Figure 6, each magnet 4 consists of a plurality of sub magnets 40 which are superimposed on each other in a radial direction and have, in succession, a cross section that decreases towards the geometric axis "A" so that in the base portion 6 thereof the magnet 4 has at least one stepwise width reduction. In other words, in this configuration magnet 4 is a mounted magnet. In particular, cross-section refers to the width of each submagnet 40 along a direction perpendicular to the radial extension direction in which the submagnet series 4 lies.
Nessa modalidade, também, pode-se encontrar o efeito surpreendente de saturação magnética das porções de saturação 16 das expansões radiais 11. Na realidade, nesse caso também o “fluxo parasítico” gerado pelos ímãs 4 é canalizado para dentro da porção de saturação 16, “enchendo a mesma” magneticamente. Nessa modalidade é evidente como cada porção de saturação 16, ao longo do comprimento da mesma na direção radial, apresenta uma seção decrescente à medida que se aproxima do eixo de acionamento 25. Precisamente o fato de que a seção de cada porção de saturação 16 diminui até atingir uma largura mínima predeterminada permite a “saturação magnética” de cada porção de saturação 16, e conseqüentemente a criação da “barreira magnética”, que evita que linhas de fluxo adicionais geradas por cada ímã 4 saltem para trás em direção ao rotor. A redução de largura escalonada da figura 6 poderia também ser obtida por meio de um ímã em bloco único 4 apresentando pelo menos uma redução de largura escalonada.In this embodiment, too, one can find the astonishing effect of magnetic saturation of the saturation portions 16 of the radial expansions 11. In reality, in this case also the “parasitic flux” generated by the magnets 4 is channeled into the saturation portion 16, "Filling the same" magnetically. In this embodiment it is evident how each saturation portion 16 along its length in the radial direction has a decreasing section as it approaches the drive axis 25. Precisely the fact that the section of each saturation portion 16 decreases reaching a predetermined minimum width allows the "magnetic saturation" of each saturation portion 16, and consequently the creation of the "magnetic barrier", which prevents additional flow lines generated by each magnet 4 from bouncing back toward the rotor. The step width reduction of Fig. 6 could also be achieved by a single block magnet 4 having at least one step width reduction.
Essa modalidade alternativa também é construtivamente vantajosa em virtude do fato de que a geometria dos ímãs 4 e o corpo de rotor associado 10 são fáceis de projetar e realizar tecnologicamente. O corpo de rotor ÍO e a pluralidade de ímãs 4 são mantidos em sua posição axial através de meio de vedação (não ilustrado) que travam os mesmos no lugar.This alternative embodiment is also constructively advantageous because of the fact that the geometry of the magnets 4 and the associated rotor body 10 are easy to design and perform technologically. The rotor body 10 and the plurality of magnets 4 are held in their axial position by sealing means (not shown) which lock them in place.
Entre as várias soluções construtivas para realizar tais meios de vedação, uma modalidade preferida apresenta pelo menos dois elementos de retenção (por exemplo, flanges) posicionados em lados opostos, ao longo da direção axial, do corpo de estator 10 e operativamente conectados por elementos de ligação que seguram o corpo de rotor total 10. Em particular, pelo menos uma expansão radial 11 (preferivelmente pelo menos dois ou quatro) tem pelo menos um furo direto 19 moldado na respectiva porção periférica 14 para permitir posicionamento de um elemento de ligação conectando os elementos de retenção (por exemplo, flange).Among the various constructive solutions for realizing such sealing means, a preferred embodiment has at least two retaining elements (e.g., flanges) positioned on opposite sides along the axial direction of the stator body 10 and operatively connected by locking elements. that hold the total rotor body 10. In particular, at least one radial expansion 11 (preferably at least two or four) has at least one straight bore 19 molded into the respective peripheral portion 14 to allow positioning of a connecting element by connecting the retaining elements (eg flange).
Um aspecto não secundário da presente invenção também consiste no desenho e produção do rotor 3.A non-secondary aspect of the present invention is also the design and production of rotor 3.
Como anteriormente mencionado, uma limitação grave dos rotores de “ímã radial” situa-se na dificuldade de introduzir um número grande pólos magnéticos no rotor. Portanto, um método de produção foi definido que permite a realização do rotor de ímã permanente 3 de acordo com a presente invenção. O método compreende etapas de preparar uma pluralidade de placas pequenas 20 perfiladas de tal modo que cada apresente a pluralidade de expansões radiais 11 e assentos de alojamento 12, os assentos de alojamento 12 sendo intercalados com as expansões radiais 11; acondicionar as placas pequenas 20 juntas ao longo do eixo geométrico de rotação “A” do rotor 3 de modo a obter o corpo de rotor 10; e inserir um ímã permanente 4 em cada assento de alojamento 12.As mentioned above, a serious limitation of “radial magnet” rotors lies in the difficulty of introducing a large number of magnetic poles into the rotor. Therefore, a production method has been defined which allows the realization of the permanent magnet rotor 3 according to the present invention. The method comprises steps of preparing a plurality of small plates 20 profiled such that each has the plurality of radial expansions 11 and housing seats 12, housing seats 12 being interspersed with radial expansions 11; arranging the small plates 20 together along the rotational geometry axis "A" of rotor 3 to obtain rotor body 10; and inserting a permanent magnet 4 into each housing seat 12.
As placas pequenas 20 são anteriormente perfiladas de acordo com a geometria que deseja fornecer às expansões radiais 11 e, por conseguinte, os assentos de alojamento 12 para os ímãs 4. A etapa de perfilação pode ser realizada utilizando, por exemplo, corte frio (por exemplo, prensa), corte quente (por exemplo, laser) ou técnicas de estampagem.The small plates 20 are previously profiled according to the geometry you wish to provide to the radial expansions 11 and therefore the housing seats 12 for the magnets 4. The profiling step can be performed using, for example, cold cutting (eg press), hot cutting (eg laser) or stamping techniques.
Em particular, a etapa de preparar a pluralidade de placas pequenas 20 compreende uma sucessão de etapas de estampar placas de rotor pequenas.In particular, the step of preparing the plurality of small plates 20 comprises a succession of steps of stamping small rotor plates.
Em uma modalidade do método, somente as placas de rotor pequenas são realizadas através das etapas de estampagem e nesse caso podem ter uma espessura nominal compreendida entre 1 mm e 5 mm.In one embodiment of the method, only small rotor plates are realized through the stamping steps, in which case they may have a nominal thickness of between 1 mm and 5 mm.
Em outras palavras, é possível utilizar placas pequenas com uma grande espessura (entre 1 mm e 5 mm, precisamente) para obter uma placa de rotor que já é intrinsecamente robusta e apropriada para etapas de vedação subseqüentes.In other words, it is possible to use small plates with a large thickness (between 1 mm and 5 mm precisely) to obtain a rotor plate that is already intrinsically robust and suitable for subsequent sealing steps.
Na realidade, quanto maior a espessura nominal da placa pequena, maior a robustez da placa e mais rápida a velocidade de montagem nas etapas subseqüentes.In reality, the higher the nominal thickness of the small plate, the stronger the plate and the faster the mounting speed in subsequent steps.
Em uma modalidade específica do método, o rotor pequeno e as placas de estator são realizadas em uma etapa de corte única. Desse modo, arranhões de usinagem são minimizados.In a specific embodiment of the method, the small rotor and stator plates are performed in a single cutting step. In this way machining scratches are minimized.
Após perfilação das placas pequenas 20, a etapa de acondicionar juntas as placas pequenas 20 pode ser realizada por pré-empilhar as placas pequenas individuais em grupos e subseqüentemente acondicionar juntas duas ou mais do grupo para obter o corpo de rotor 10.After profiling the small plates 20, the step of packing the small plates together 20 can be accomplished by pre-stacking the individual small plates into groups and subsequently wrapping two or more of the groups together to obtain the rotor body 10.
Após formação do corpo de rotor 10 por acondicionar as placas pequenas 20, é possível inserir os ímãs 4 nos assentos de alojamento 12.After forming the rotor body 10 by packing the small plates 20, magnets 4 can be inserted into the housing seats 12.
Para assegurar compacidade estrutural adicional do corpo de rotor 10, o material de enchimento não magnético acima mencionado é injetado entre os ímãs 4 e as expansões radiais 11.To ensure additional structural compactness of the rotor body 10, the aforementioned non-magnetic filler material is injected between the magnets 4 and the radial expansions 11.
Em particular, durante a etapa de acondicionar as placas pequenas 20, elementos de retenção (flanges) sã posicionados em lados opostos, ao longo da direção axial, do corpo de estator 10.In particular, during the step of packaging the small plates 20, retaining elements (flanges) are positioned on opposite sides along the axial direction of the stator body 10.
Para travar os elementos de retenção no lugar, elementos de travamento (não ilustrados) como anéis Seeger, por exemplo, podem ser utilizados.To lock the retaining elements in place, locking elements (not shown) such as Seeger rings, for example, may be used.
Alternativamente, ou em cooperação com os elementos de travamento, elementos de ligação são utilizados; esses são operativamente conectados aos elementos de retenção de modo a segurar o corpo de rotor inteiro 10 e travar os elementos de retenção no lugar. A invenção obtém os objetivos propostos. O rotor tendo um corpo de rotor apropriado para acomodar uma pluralidade de ímãs que apresentam uma porção de base respectiva tendo uma largura menor do que a largura de uma porção de cabeça da mesma torna possível obter um número elevado de pólos magnéticos no rotor e assegurar a resistência mecânica necessária do próprio corpo de rotor. A forma e arranjo específicos dos ímãs no rotor permitem que o “fluxo parasítico” seja minimizado e surpreendentemente, que o “fluxo utilizável” seja maximizado, desse modo obtendo densidades de torque elevadas mesmo em rotores de tamanho relativamente pequeno. De modo semelhante, as aberturas de separação em proximidade à superfície externa do corpo do rotor permite que as linhas de fluxo dos ímãs sejam transportadas e dirigidas em um modo mais determinista em direção ao fluxo de estator, maximizando adicionalmente o “fluxo utilizável” e conseqüentemente a força que pode ser liberada pela máquina elétrica.Alternatively, or in cooperation with the locking elements, connecting elements are used; these are operatively connected to the retaining elements to hold the entire rotor body 10 and lock the retaining elements in place. The invention achieves the proposed objectives. The rotor having a suitable rotor body for accommodating a plurality of magnets having a respective base portion having a width less than the width of a head portion thereof makes it possible to obtain a high number of magnetic poles in the rotor and to ensure necessary mechanical strength of the rotor body itself. The specific shape and arrangement of the rotor magnets allows “parasitic flow” to be minimized and surprisingly, “usable flow” is maximized, thereby obtaining high torque densities even on relatively small rotors. Similarly, the separation openings in proximity to the outer surface of the rotor body allow the magnet flow lines to be conveyed and directed in a more deterministic manner toward stator flow, further maximizing "usable flow" and consequently the force that can be released by the electric machine.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] | ||
B06F | Objections, documents and/or translations needed after an examination request according [chapter 6.6 patent gazette] | ||
B08F | Application dismissed because of non-payment of annual fees [chapter 8.6 patent gazette] |
Free format text: REFERENTE A 7A ANUIDADE. |
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B08K | Patent lapsed as no evidence of payment of the annual fee has been furnished to inpi [chapter 8.11 patent gazette] |
Free format text: EM VIRTUDE DO ARQUIVAMENTO PUBLICADO NA RPI 2533 DE 23-07-2019 E CONSIDERANDO AUSENCIA DE MANIFESTACAO DENTRO DOS PRAZOS LEGAIS, INFORMO QUE CABE SER MANTIDO O ARQUIVAMENTO DO PEDIDO DE PATENTE, CONFORME O DISPOSTO NO ARTIGO 12, DA RESOLUCAO 113/2013. |